引 言
隨著現(xiàn)代通信技術和網絡技術的迅猛發(fā)展，以太網技術也越來越成熟，特別是基于TCP／IP通信協(xié)議的Web技術得到了廣泛應用。我們可以用微控制器加以太網接口芯片，取代PC機進行現(xiàn)場控制，組成嵌入式Web Serv-er系統(tǒng)?，F(xiàn)場傳感器自動跟蹤各監(jiān)測點的信息，把檢測到的數據存儲在非易失性存儲器中，并及時發(fā)布到互聯(lián)網上；相關的工作人員就可以通過Web技術對設備進行遠程控制、管理和維護，從瀏覽器上直接監(jiān)控現(xiàn)場設備的運行，這樣就大大提高了生產效率和管理水平。
為了實現(xiàn)WEB服務器的功能，嵌入式操作系統(tǒng)和一個可實現(xiàn)的TCP／IP協(xié)議棧是必需的，因此對嵌入式處理器提出了更高的要求。與傳統(tǒng)的8／16位單片機相比，ARM核處理器在運算速度、功耗和存儲容量方面都有很大的優(yōu)勢，而且ARM核處理器可以很方便地實現(xiàn)嵌入式TCP／IP協(xié)議棧，所以ARM核處理器成為嵌入式Web服務器設備的首選處理器。系統(tǒng)的設計模型如圖1所示。
1 系統(tǒng)硬件設計
ARM核處理器LPC2210基于支持實時仿真和嵌入跟蹤的32／16位ARM7TDMI—S CPU。片內有16 KBSRAM，通過外部存儲器接口配置成4組，每組的容量達16 MB。LPC2210采用144腳封裝，功耗極低，具有多個32位定時器、8路10位ADC、PWM輸出，最多可提供76個GPIO以及多達9個外部中斷引腳；采用3級流水線技術，極大地提高了指令執(zhí)行效率，通過可編程的片內鎖相環(huán)(PLL)可實現(xiàn)最大60 MHz的CPU操作頻率。
LPC2210的EMC組合符合ARM公司的PL090標準，總線寬度可設置為8位、16位或32位，通常16位總線寬度的存儲器具有較高的性價比。
以Philips公司的ARM核處理器LPC2210為核心來實現(xiàn)嵌入式Web服務器；網絡接口芯片采用Realtek公司的NE2000兼容芯片RTL8019AS，它內置了10BASE—T收發(fā)器，通過HR901170A器件接入以太網。硬件結構如圖2所示。
在圖1中，LPC2210擴展了2 MB的NOR Flash(芯片型號為SST39VFl60)和8．MB PSRAM(芯片型號為MT45W4Mwl6)。為了方便調試及最終代碼的固化應用，使用LPC2210外部存儲器接口BankO和Bankl的地址空間，通過片選信號選通nCE_F和nCE_R，來將地址空間Bank0和Bankl分別分配給PSRAM和Flash。通常將代碼固化到Flash，分配Flash為Bank0，PSRAM為Bankl，因為Bank0可以用來引導程序的運行。
LPC2210的大容量片上存儲器為TCP／IP協(xié)議棧的實現(xiàn)和數據處理提供了足夠的存儲空間；利用LPC2210SPI接口擴展MMC／SD卡作為外部非易失性存儲器，可以將ADC現(xiàn)場采集的數據、IP地址、網卡物理地址以及更新網頁保存在里面，需要時還可隨時更換MMc／SD卡。LPC2210具有ARM和Thumb指令集，采用流水線處理技術，能在指令執(zhí)行期間預處理下一條指令，極大地提高了指令執(zhí)行效率，為需要快速傳輸數據的網絡應用提供了有效的支持。
2 系統(tǒng)軟件設計
eCos(embedded Configurable operating system，嵌入式可配置操作系統(tǒng))是一種針對16位、32位和64位處理器的可移植嵌入式實時操作系統(tǒng)。由于其源代碼公開，因而越來越多的設計人員開始關注eCos操作系統(tǒng)。eCos最大的特點是模塊化、內核可配置。最小版本的eCos只有幾百字節(jié)，非常適合小型嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。與嵌入式Linux相比，eCos有配置靈活和節(jié)省資源的優(yōu)勢。它的其他優(yōu)點是使用多任務搶占機制、具有最小的中斷延遲、支持嵌入式系統(tǒng)所需的所有同步原語，并擁有靈活的調度策略和中斷處理機制。因而eCos具有良好的實時性，與μClinux和μC／OS等操作系統(tǒng)相比，它更適用于處理實時信號的設備，如移動通信、WLAN等通信設備的開發(fā)。
3 eCos的移植
圖3所示為eCos的移植流程。eCos的移植通過3個子模塊來完成，即體系結構抽象層(Architeeture Hal)、變體抽象層(Variant Hal)和平臺抽象層(Platform Hal)。對一個新的體系結構來說，系統(tǒng)結構抽象層的建立相對來說比較困難。目前，eCos已經支持各種主流CPU，也就是說，eCos源碼中包含了CPU的體系結構層和變體抽象層，所以移植工作主要集中在平臺抽象層。
RedBoot移植是平臺抽象層移植的最好開始。RedBoot是位于硬件抽象層之上的命令行接口，并且包含GDB調試工具及其調試stub。一旦硬件抽象層移植到目標板中，RedBoot能將程序加載到目標板中，并且能在目標板上調試代碼。
4 TCP／IP協(xié)議棧——LwIP的實現(xiàn)
LwIP是瑞士計算機科學院Adam Dunkles等人開發(fā)的用于嵌入式系統(tǒng)的開放源代碼TCP／IP協(xié)議棧。它既可以移植到操作系統(tǒng)上，也可以在無操作系統(tǒng)的情況下運行。LwIP實現(xiàn)的重點是，在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎上，減少對RAM的占用；一般只需要幾十字節(jié)的RAM和40 KB左右的ROM就可以運行，這使得LwIP適合在中低端的嵌入式系統(tǒng)中應用。
LwIP主要可以分為圖4所示的幾個層次。主要功能模塊有：操作系統(tǒng)模擬層、網絡接口函數、實現(xiàn)TCP／IP協(xié)議的各部分模塊 (IP、UDP、TCP、IC—MP、ARP)、緩沖和存儲管理子系統(tǒng)、校驗和函數。
LwIP API是一組應用程序接口，通過該接口程序員就可以使用LwIP所有的功能。另外，LwIP也為開發(fā)者提供了更加高級的BSD Socket APl，使其可以使用通用的Socket函數來編寫網絡通信軟件。操作系統(tǒng)模擬層可以使LwIP能夠使用操作系統(tǒng)提供的一些高級管理功能，例如信號量管理、消息隊列管理、創(chuàng)建線程等。
4．1 IP處理
LwIP僅能實現(xiàn)IP層大部分基本功能。它雖然能夠發(fā)送、接收以及轉發(fā)信息包，但不能接收和發(fā)送IP分片包，也不能處理攜帶IP參數選項的信息包。不過對大多數的應用來說，這不會成為問題。
①接收信息包。對于到達的IP信息包，可由網絡設備驅動調用ip_input()函數開始處理，并在這里完成對IP版本字段及包頭長度的初始完整性檢查，同時還要計算和驗證包頭校驗和。
②發(fā)送信息包。外發(fā)的信息包由ip_output()函數處理，該函數使用ip_route()函數查找適當的網絡接口來傳送信息包。當外發(fā)的網絡接口確定后，信息包傳給以外發(fā)網絡接口為參數的ip_output_if()函數。
?、坜D發(fā)信息包。如果沒有網絡接口的地址與到達信息包的目標地址相同，信息包應被轉發(fā)。這項工作由ip_ forward()函數完成。
?、躀CMP處理。ICMP處理相當簡單。ip_input()函數收到的ICMP信息包被移交給icmp_input()函數，后者對ICMP包頭解碼，然后進行適當的動作。
4．2 UDP處理
UDP是被用來在不同進程問分解信息包的簡單協(xié)議。每個UDP會話的狀態(tài)保存在一個PCB結構體中。UDP PCB保存在一個鏈表中，當一個UDP數據包到達時對這個鏈表進行匹配檢索。
4．3 TCP處理
TCP屬于傳輸層協(xié)議，它為應用層提供了可靠的字節(jié)流服務。對它的描述要比對其他協(xié)議的描述復雜的多，其代碼占了LwIP代碼總量的50％?；镜腡CP處理過程被分割為6個功能函數來實現(xiàn)，tcp_input()、tep_ process()及tcp_receive()函數與TCP輸入有關，tcp_write()、tcp_enqueue()及tcp_output()則用于TCP輸出。TCP的處理過程如圖5所示。
4．4 應用程序接口設計
LwIP API專為LwIP設計，所以它可以充分利用LwIP的內部結構實現(xiàn)其設計目標。LwIP API與BSDAPI類似，但操作相對低級。API不需要在應用程序和協(xié)議棧之間復制數據，因為應用程序可以巧妙地直接處理內部緩沖區(qū)。另外，BSD Socket API易于理解，并且很多應用程序為它而寫，所以LwIP保留一個BSD Socket兼容層是很有用的。
鑒于TCP／IP協(xié)議棧的處理模式，APl分成兩部分實現(xiàn)。如圖6所示，一部分作為應用程序的連接庫實現(xiàn)，另一部分在TCP／IP進程內實現(xiàn)。這兩部分之間采用由操作系統(tǒng)模擬層提供的進程間通信機制(IPC)進行通信。當前的實現(xiàn)采用以下3種IPC方式：共享內存、消息傳遞和信號量。雖然這些IPC方式被操作系統(tǒng)支持，但它們并不需要操作系統(tǒng)底層支持，實際上是操作系統(tǒng)模擬層在模擬它們。
結 語
基于實時內核eCos，在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)了LwIP協(xié)議棧的移植與優(yōu)化。移植優(yōu)化后的LwIP棧做為一個網絡模塊運行，代碼占用40 KB的ROM，實現(xiàn)了Ethernet／IP／TCP網絡功能，并提供了模塊API，與系統(tǒng)實現(xiàn)無縫連接?；贚wIP的網絡應用任務與其他非網絡應用任務在eGos實時內核管理下協(xié)調運行。進一步增強了協(xié)議棧的網絡安全性與穩(wěn)定性，并開發(fā)相應的的網絡應用程序。“eCos／LwIP協(xié)議棧”架構有望應用在信息家電和網絡化的儀器、儀表方面。